1 progetto lauree scientifiche orientamento e formazione degli insegnanti di fisica unità operativa...

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Progetto LAUREE SCIENTIFICHEORIENTAMENTO E FORMAZIONE DEGLI

INSEGNANTI di FISICAUnità Operativa di Bologna

Vedere i raggi Vedere i raggi cosmicicosmici

Responsabili: G. Sartorelli, M. Spurio, L. PatriziiSupervisori Laboratori: H. Menghetti, M.Selvi, M. Garbini, D.Di

Ferdinando, S. Manzoor, V.Togo

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I Raggi CosmiciI Raggi Cosmici

Si pensa che i Raggi Cosmici nella nostra galassia siano prodotti e

accelerati in seguito alle esplosioni di Supernovae. Una esplosione di Supernova produce una fortissima onda d’urto che si propaga nel gas

interstellare ed è in grado di accelerare le particelle e i nuclei anche ad energie molto elevate

come quelle che vediamo nei Raggi Cosmici.

I Raggi Cosmici sono particelle che bombardano costantemente

la Terra da ogni direzione. Le energie di queste particelle

ricoprono un vasto intervallo fino ad arrivare oltre 1020 eV.

La loro origine è sia galattica che extragalattica.

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I Raggi CosmiciI Raggi Cosmici I Raggi Cosmici sono principalmente protoni, ma includono anche molti altri

nuclei, con una composizione fatta di oltre 400 isotopi (dai nuclei di Idrogeno a quelli di

Uranio): componente primaria.

Tali particelle arrivano sulla sommità dell’atmosfera e,

interagendo con essa, generano sciami di particelle più leggere, quali elettroni,

muoni, pioni e neutrini: componente secondaria.Per misurare la componente

primaria occorre “andare in quota”. A livello del mare si rivela

la componente secondaria dei Raggi Cosmici. Il flusso di

particelle cariche che incide su una superficie orizzontale al

livello del mare è di circa 200 particelle/(m2 s).

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Rivelazione di particelleRivelazione di particelle

Una particella elementare può essere vista se, attraversando la materia, perde energia interagendo con gli atomi che costituiscono la materia stessa.

L’energia persa nel materiale può provocare fenomeni diversi (ionizzazione, emissione di luce, ecc.). I rivelatori di particelle sono realizzati in modo da sfruttare al meglio tali fenomeni.

particella

Un rivelatore di particelle al CERN

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Collisioni elastiche con i nuclei -> deviazione della traiettoria della particella

Collisioni inelastiche con gli elettroni atomici della materia -> perdita di energia

Le interazioniLe interazioni

In generale due aspetti principali caratterizzano il passaggio delle particelle cariche attraverso la materia:

Durante una collisione inelastica vi è un trasferimento di energia dalla particella all’atomo, con una conseguente ionizzazione o eccitazione dell’atomo.

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Le particelle più difficili da rivelare sono i neutrini che possono avere solo interazioni deboli con i nuclei o gli elettroni. Anche in questo caso la rivelazione avviene per mezzo delle particelle cariche secondarie generate nelle interazioni.

I fotoni sono rivelati indirettamente attraverso gli elettroni che producono per effetto fotoelettrico, diffusione Compton o produzione di coppie

I neutroni possono avere interazioni “forti” con i nuclei dei materiali producendo particelle secondarie cariche oppure possono essere catturati da nuclei ed emettere altre particelle rivelabili.

Le particelle cariche sono rivelate attraverso la loro interazione elettromagnetica con gli elettroni atomici dei mezzi attraversati

Le interazioniLe interazioniI processi fisici che ci permettono di rivelare le particelle sub-nucleari sono molteplici:

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ScintillatoriScintillatori

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ScintillatoreScintillatore

1. la particella carica cede energia agli elettroni delle molecole dello scintillatore

2. gli elettroni degli atomi di uno scintillatore sono “eccitati” (acquistano energia) dalla particella che lo attraversa

3. dopo un certo tempo (da qualche nanosecondo a centinaia di nanosecondi), gli elettroni si “diseccitano” (perdono energia) emettendo luce (fotoni con ~ 450 nm) .

E2

E1elettrone

Particella carica

E2

E1

E2

E1

luce

Uno scintillatore è un materiale che emette luce quando è attraversato da una particella carica.

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ScintillazioneScintillazione

L’emissione di luce di un materiale scintillante può avvenire immediatamente dopo l’assorbimento di energia (~10-8 s) -> fluorescenza.Se l’emissione è ritardata (stati eccitati metastabili) il tempo di ritardo fra l’assorbimento di energia e l’emissione di fotoni può variare da pochi microsecondi a ore (a seconda del materiale) -> fosforescenza.L’evoluzione temporale del processo di emissione è dato da : N = N0/d exp(-t/d)

In generale si hanno due componenti: N = A exp(-t/f)+B exp(-t/s) f=fast, s=slow.

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ScintillatoriScintillatori

Cristalli organici Liquidi organici Plastici Cristalli inorganici Gas Vetri

La luce emessa è in buona approssimazione proporzionale all’energia depositata dalla particella ionizzante: L ~ EIn realtà, la risposta degli scintillatori dipende dall’energia e dal tipo di particella (particelle più pesanti possono perdere la loro energia con processi diversi dalla luminiscenza).

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Come misurare la luce di Come misurare la luce di scintillazione?scintillazione?

Per misurare la luce di scintillazione occorre

trasformarla in “qualcosa di misurabile”, cioè in una corrente elettrica

Il fotomoltiplicatore:

dispositivo che trasforma un piccolo segnale di luce in una corrente

elettrica.

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Il FotomoltiplicatoreIl Fotomoltiplicatore

Successivamente attraverso la catena di dinodi, avviene la

moltiplicazione dei fotoelettroni prodotti e la

raccolta di tutti gli elettroni prodotti all’uscita del

fotomoltiplicatore (anodo). Dall’anodo possiamo prelevare

e misurare una corrente elettrica!

Un fotomoltiplicatore è costituito da una successione di elettrodi a cui è applicata una differenza di potenziale (dinodi). I fotoni della luce di scintillazione che arrivano sul fotomoltiplicatore colpiscono il “fotocatodo” e , per effetto fotoelettrico, si ha emissione di elettroni (fotoelettroni).

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Il FotomoltiplicatoreIl Fotomoltiplicatore

Il primo parametro dipende dalla tensione applicata ai

dinodi:

=K Vd

Il guadagno totale del fotomoltiplicatore è

G = ()n n=num. dinodi

Il guadagno del fotomoltiplicatore dipende

dal numero di elettroni secondari emessi per dinodo

e dal numero di dinodi presenti nel “moltiplicatore di

elettroni”

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Efficienza quanticaEfficienza quantica

Il fotocatodo converte la luce incidente in fotoelettroni per effetto fotoelettrico:

E=h-

C’è un’energia di sogliaOltre a questa energia la probabilità di conversione dipende dalla fraquenza della luce incidente e dal materiale che costituisce il fotocatodoEfficienze 10%-30%

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Scintillatore e Scintillatore e FotomoltiplicatoreFotomoltiplicatore

Per costruire uno scintillatore occorre quindi accoppiare un materiale scintillante ad un fotomoltiplicatore (PM).

Problemi: raccolta di luce trasporto di luce

PMScintillatore

Guida di luce

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RiflessioneRiflessione

La luce emessa in un punto dello scintillatore può viaggiare in ogni direzione e solo una frazione raggiunge direttamente il fotomoltiplicatore. Parte della luce si dirige verso le superfici esterne del materiale scintillante dove può essere riflessa e/o trasmessa. Si ha riflessione totale per fotoni che incidono sulla superficie del materiale con angoli maggiori dell’angolo di Brewster:

B = sin -1 (nout/nscint)

n = indice di rifrazione = c/v

PM

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Riflessione e RifrazioneRiflessione e Rifrazione

Riflessione:

Rifrazione -> Legge di Snell:

n1sin1 = n2sin2

1 = 3

n1

n2

1 3

2

Riflessione interna totale per 2=90º, quindi per

1 = arcsin (n2/n1)

e con n1 > n2

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RiflessioneRiflessione

Aggiunta di materiali a riflessione totale sulle superfici esterne dello scintillatore (fogli di plastica alluminata)

PM

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Guida di luceGuida di luce

Le guide di luce servono a realizzare un buon accoppiamento ottico fra scintillatore e fotomoltiplicatore.

Esse solitamente sono fatte in plexiglass ed hanno una geometria tale da ottimizzare la riflessione interna totale.

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Quindi...Quindi...

Scintillatore -> Guida di luce -> Fotomoltiplicatore

Materiale riflettente

Rivestimento nero per evitare che al fotomoltiplicatore arrivi luce diversa da quella di scintillazione

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Lunghezza di Lunghezza di attenuazioneattenuazione

La luce emessa dal materiale scintillante può essere riassorbita dal materiale stesso. La lunghezza di attenuazione è la distanza rispetto al punto di produzione alla quale l’intensità della luce si riduce di un fattore 1/e.

L(x)=L(0)exp(-x/latt)

Se latt è più piccola delle dimensioni dello scintillatore si

ha una perdita di fotoni.

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Un telescopio di muoniUn telescopio di muoni

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Setup sperimentaleSetup sperimentale

Due scintillatori plastici accoppiati a fotomoltiplicatori

ad entrambe le estremità.

o Misura del flusso di raggi cosmicio Misura della lunghezza di attenuazione di uno scintillatore

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Misura del flusso di Raggi Misura del flusso di Raggi CosmiciCosmici

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Determinazione della tensione di lavoro del fotomoltiplicatore. Il passaggio delle particelle nello scintillatore produce una corrente elettrica (segnale) se al fotomoltiplicatore è applicata la “giusta” differenza di potenziale.

Osservazione del segnale. Il segnale prodotto può essere visto su un oscilloscopio.

Si osserverà come il passaggio di raggi cosmici possa essere “visto” dagli scintillatori

Oscilloscopio


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Conteggio delle particelle che incidono su entrambi gli scintillatori -> discriminazione segnale/rumore. Per discriminare il passaggio di una particella “vera” dal rumore elettronico è necessaria la coincidenza di segnali da scintillatori o fotomoltiplicatori diversi.

Scintillatore

Scintillatore

Fototubo

Fototubo

Fototubo

Fototubo

Guida di luce

Coincidenza dei segnali in più scintillatori = passaggio di particelle!

Guida di luce

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CoincidenzaCoincidenza

Conversione segnale analogico in segnale digitale standard NIM (-800 mV) -> Discriminatore

Dal discriminatore all’ unità di coincidenza per definire una coincidenza -> sovrapposizione di segnali standard

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Moduli di elettronicaModuli di elettronica

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Unità di coincidenza

Scintillatore

Segnale analogico

Fototubo

Discriminatore

Guida di luce

Rivelatore Amplificatore Analizzatore

particella

Seg

nale

di g

itale

Scintillatore

Fototubo

Discriminatore


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Definita la particella, possiamo misurare il numero di particelle che attraversano entrambi gli scintillatori. In particolare misureremo come cambia il numero di particelle misurate in funzione della distanza fra i due scintillatori -> angolo solido!


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Angolo solidoAngolo solido

Nel piano -> Angolo piano: =s/R

Nello spazio tridimensionale -> Angolo solido: =a/R2

L’unità di misura dell’angolo solido è lo steradianteAngolo solido che sottende una sfera: 4

sR

R

a

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Flusso vs DistanzaFlusso vs Distanza

Distanza (cm)

Conte

ggi

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Misura della lunghezza di Misura della lunghezza di attenuazioneattenuazione

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Per poter utilizzare un rivelatore in esperimenti è prima necessario calibrare il rivelatore, ossia determinarne le caratteristiche principali.

In questi casi si possono utilizzare:

sorgenti radioattive fasci di particelle note di energia definita (fasci di test) i raggi cosmici, fonte naturale e costante di particelle.

Per poter utilizzare un rivelatore in esperimenti è prima necessario calibrare il rivelatore, ossia determinarne le caratteristiche principali.

In questi casi si possono utilizzare:

sorgenti radioattive fasci di particelle note di energia definita (fasci di test) i raggi cosmici, fonte naturale e costante di particelle.

Per il nostro esperimento utilizzeremo i RAGGI COSMICI

Per il nostro esperimento utilizzeremo i RAGGI COSMICI

Misura della lunghezza di Misura della lunghezza di attenuazioneattenuazione

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Per poter misurare la lunghezza di attenuazione di uno scintillatore occorre misurare il numero di fotoni generati a varie distanze dal fotomoltiplicatore

X1

X2

Come facciamo a selezionare le particelle che

passano solo ad una certa distanza

dal fotomoltiplicatore ?

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Il numero di fotoni che incide sul fotocatodo è proporzionale al numero di elettroni in uscita dal fotomoltiplicatore e quindi alla carica contenuta nel segnale analogico -> area del segnale!Per misurare l’ampiezza del segnale si utilizza l‘ADC (Analog to Digital Converter).

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I dati dell’ADC possono essere registrati sul computer ed essere elaborati per poter determinare la carica media e quindi il numero medio di fotoni che arrivano sul fotomoltiplicatore in funzione della distanza.

L(x)=L(0)exp(-x/latt)

y = 102,57e-0,0211x

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 20 40 60 80 100

latt=1/(0,021)


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ExtraExtra

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OscilloscopioOscilloscopio

Esistono due grandi famiglie di oscilloscopi: quelli analogici e quelli digitali. Gli oscilloscopi analogici sfruttano un principio di funzionamento piuttosto semplice, basato sul particolare pilotaggio del loro tubo catodico. Le griglie dell'asse Y del CRT sono pilotate dal segnale di ingresso che si desidera mostrare, mentre le griglie dell'asse X sono pilotate da un generatore a dente di sega con frequenza impostabile dall'utente (la base dei tempi). Il dente di sega fa procedere il pennello a velocità costante lungo l'asse orizzontale, da sinistra verso destra; nel mentre le variazioni del segnale fanno salire o scendere il pennello, che così disegna l'andamento del segnale in funzione del tempo. Questa operazione è ripetuta per ogni dente di sega; sul video si sovrappongono tante "spazzolate", che grazie alla persistenza dei fosfori dello schermo (e delle immagini sulla retina) formano un'immagine. Per mostrare in modo stabile un segnale periodico è necessario che tutte le spazzolate si sovrappongano perfettamente fra di loro, il che equivale a dire che la frequenza del dente di sega deve essere un multiplo o sottomultiplo della frequenza del segnale periodico; questo si può ottenere agendo manualmente sulla regolazione fine della base dei tempi, oppure utilizzando un particolare circuito (detto "trigger") che permette di sincronizzare i denti di sega direttamente con il segnale di ingresso.

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I rivelatori a scintillazione hanno diverse applicazioni:

1. misure di energia: con gli scintillatori si può realizzare un calorimetro, che è un rivelatore che permette di misurare l’energia persa dalla particella mentre lo attraversa (se la particella si ferma al suo interno, ne viene misurata tutta l’energia).

2. misure di tempo di volo, cioè del tempo impiegato da una particella per attraversare un certo spazio (lo spazio tra due rivelatori per esempio): se ne ricava la velocità della particella.

3. rivelatori traccianti: utilizzando le fibre scintillanti (di sezione molto piccola) si possono costruire dei rivelatori a scintillazione che forniscono con precisione il punto di passaggio della particella e permettono di ricostruirne la traiettoria (traccia).

4. contatori di trigger/veto: quando la presenza di un segnale in uno o piu` rivelatori serve per selezionare o scartare un evento prima che esso venga acquisito dai circuiti elettronici e memorizzato dai computer

I rivelatori a scintillazione hanno diverse applicazioni:

1. misure di energia: con gli scintillatori si può realizzare un calorimetro, che è un rivelatore che permette di misurare l’energia persa dalla particella mentre lo attraversa (se la particella si ferma al suo interno, ne viene misurata tutta l’energia).

2. misure di tempo di volo, cioè del tempo impiegato da una particella per attraversare un certo spazio (lo spazio tra due rivelatori per esempio): se ne ricava la velocità della particella.

3. rivelatori traccianti: utilizzando le fibre scintillanti (di sezione molto piccola) si possono costruire dei rivelatori a scintillazione che forniscono con precisione il punto di passaggio della particella e permettono di ricostruirne la traiettoria (traccia).

4. contatori di trigger/veto: quando la presenza di un segnale in uno o piu` rivelatori serve per selezionare o scartare un evento prima che esso venga acquisito dai circuiti elettronici e memorizzato dai computer

Applicazioni dei rivelatori a scintillazioneApplicazioni dei rivelatori a scintillazione

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Requisiti del rivelatoreRequisiti del rivelatore

La valutazione di alcune caratteristiche del segnale prodotto dal rivelatore (ampiezza, tempo) permette di determinare il valore di alcune quantita` della particella (energia ceduta, tempo di arrivo).

La valutazione di alcune caratteristiche del segnale prodotto dal rivelatore (ampiezza, tempo) permette di determinare il valore di alcune quantita` della particella (energia ceduta, tempo di arrivo).

L’ efficienza di un rivelatore è il rapportotra il numero di particelle segnalate dal rivelatore e il numero di particelle incidenti sul rivelatore.Il rumore è dato dai segnali prodotti dal rivelatore che non corrispondono ad un evento fisico (una particella) ma sono dovuti a fluttuazioni intrinseche del sistema (per es. rumore elettronico).

L’ efficienza di un rivelatore è il rapportotra il numero di particelle segnalate dal rivelatore e il numero di particelle incidenti sul rivelatore.Il rumore è dato dai segnali prodotti dal rivelatore che non corrispondono ad un evento fisico (una particella) ma sono dovuti a fluttuazioni intrinseche del sistema (per es. rumore elettronico).

Alcuni requisiti dei rivelatori:Alta efficienza (~ 100%)Basso rumorePiccola risoluzione (cioè alta precisione) per tutte le grandezze fisiche misurate.Stabilità delle prestazioni nel tempo.Facilità di calibrazione.

Alcuni requisiti dei rivelatori:Alta efficienza (~ 100%)Basso rumorePiccola risoluzione (cioè alta precisione) per tutte le grandezze fisiche misurate.Stabilità delle prestazioni nel tempo.Facilità di calibrazione.

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FotoniFotoni Effetto fotoelettrico

Produzione di coppieCompton scattering

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Rivelatori Nucleari a Rivelatori Nucleari a TracceTracce

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Alcuni materiali (plastiche, vetri, minerali ecc.) hanno la proprietà di conservare traccia delle particelle cariche che li attraversano.Un materiale molto usato è un polimero, il CR39, utilizzato commercialmente per la produzione di occhiali da sole.

Le particelle cariche che attraversano un pezzo di CR39 rompono le catene polimeriche in una regione cilindrica (Ø 100 Å) contenuta attorno alla traiettoria della particella.Questo danno può essere amplificato e reso visibile ad un microscopio ottico attraverso un processo di attacco chimico (“chemical etching”)

Rivelatori nucleari a Rivelatori nucleari a traccetracce

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45 h, NaOH 6N,70o C

Dalla geometria del cono si risale (previa opportuna

calibrazione) alle caratteristiche della

particella !

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Esposizione di un campione ad una sorgente di particelle alfa

Preparazione della soluzione e attacco chimico del campione

Visualizzazione al microscopio delle tracce delle particelle alfa

Conteggio attivita’ della sorgente

Rivelatori nucleari a tracce: fisici per un Rivelatori nucleari a tracce: fisici per un giorno!giorno!

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Misura delle aree delle tracce con sistema automatico di un campione esposto a raggi cosmici su un pallone sulla sommità dell’atmosfera (componente primaria dei raggi cosmici)

Distribuzione delle aree distribuzione in carica

Rivelatori nucleari a tracce: fisici per un Rivelatori nucleari a tracce: fisici per un giorno!giorno!

1 progetto lauree scientifiche orientamento e formazione degli insegnanti di fisica unità operativa...

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